zum Thema Solarenergie

Das Wort "Solar" bedeutet "von der Sonne". Die Sonne ist das Zentralgestirn unseres Sonnensystems. Sie ist es, die uns das Leben auf der Erde ermöglicht. 1,3 kW schickt die Sonne je Quadratmeter aus dem Weltraum auf die Erde. Durch die Lufthülle wird davon einiges absorbiert und vor allem reflektiert, so daß in unseren Breiten bei klarem Himmel im Sommer etwa 700 Watt/m^² und im Winter mittags sogar nur 247 W/m² auf dem Erdboden ankommen. Diese Energiemenge wird uns kostenlos zur Verfügung gestellt. Doch diese Energie gut auszunützen erfordert schon einigen Aufwand.

Diffuse Sonneneinstrahlung ausnutzen

Auch wenn die Sonneneinstrahlung in unseren Breiten oft durch Bewölkung verhindert wird - tagsüber bleibt uns das ganze Jahr ein hoher Anteil an diffuser Strahlung! Vor allem unsere Vakuumröhren-Kollektoren können auch diffuse Strahlung in Wärmeenergie umwandeln.

Solaranlagen haben ihren Reiz!

Die Wärme und Energie der Sonne einzufangen, aufzuheben und bei Bedarf wieder hervorzuholen und zu benutzen scheint eine gute Möglichkeit für kostenlose Energie zu sein. Leider scheint die Sonne "zu viel", wenn wir nicht heizen müssen, und wenn wir die Heizung brauchen, scheint sie eben zu wenig. Und leider läßt sich Wärmeenergie in keiner Weise einfach (preisgünstig, also rentabel) über längere Zeit aufheben.
Ein Ansatz sind Eisspeicher, bei denen Wärme, vor allem im Bereich um den Gefrierpunkt, mit Hilfe einer Wärmepumpe auf ein nutzbares Niveau gebracht wird. Dabei macht man sich zu nutze, daß Wasser beim Auftauen ganz viel Energie benötigt (Schmelzwärme, Schmelzenthalpie, eine Art von Latentwärme). Friert man dieses Wasser anschließend mit einer Kältemaschine (Wärmepumpe) wieder ein, so kann man genau diese Wärmemenge wieder herausholen.

Sonnenwärme mit einer Solaranlage einfangen

1   Sonnenstrahlen erhitzen den Absorber des Vakuum-Kollektors. 2   Das bis zu 200°C heiße Wasser im Sammler zirkuliert zwischen Kollektor und Hygienespeicher. Der Regler begrenzt die Temperatur des runtergeförderten (Glykol-) Wassers auf 95°C. 3   Der Wärmetauscher des Speichers gibt die Solarwärme an das Wasser im Hygiene-Kombispeicher ab. 4   Im Edelstahl-Wellrohr-Wärmetauscher des Kombispeichers wird Frischwasser im Durchlaufprinzip mit einwandfreier Qualität und hoher Schüttleistung erwärmt. 5   Die Heizung ist mit dem Hygiene-Kombispeicher verbunden, so wird die vorhandene überschüssige Wärmeenergie zur Heizungsunterstützung eingespeist.

Wirtschaftlichkeit

Im Sommer liefern Solaranlagen viel Wärme, wobei im Winter der Ertrag meist überschaubar ist. Durch die Marktanreizprogramme der Regierung (BAFA-Förderung) werden Solaranlagen auch in unseren Breiten  wirtschaftlich sinnvoll. Nutzen Sie die Anlage auch zur Heizungsunterstützung, sieht die Rechnung etwas günstiger aus, aber Sie müssen darauf achten, daß Ihr Pufferspeicher ausreichend Volumen hat, damit Sie speziell in der Übergangszeit alle anfallende Sonnenenergie für die Heizung am Abend aufbewahren können! Besonders in Verbindung mit einem Holzvergaserkessel kann eine Solaranlage sehr vorteilhaft sein, denn das Anheizen im Sommer entfällt fast komplett. Der Nutzen an Bequemlichkeit ein wichtiger Faktor, denn mit der Sonne als Lieferant für die Energie für die Brauchwassererwärmung sparen Sie sich schon mit 50 - 90 Röhren unserer Vakuumröhren-Sonnenkollektoranlagen fast alles Anheizen zwischen April und September. Mit unseren Vakuum-Röhren-Solarkollektor-Anlagen kann im Sommer bis zu 100% der Warmwasseraufbereitung nur über die Solaranlage erfolgen. Üblicherweise geht man von einer Einsparung von ca. 10% der reinen Heizkosten über die ganze Heizperiode aus.

Kunden, die bereits seit einiger Zeit eine thermische Solaranlage besitzen haben uns den Nutzen bestätigt. Auch in Verbindung mit einem Pelletkessel kann im Sommer und in der Übergangszeit viel Geld eingespart werden.

Frostschutzmittel oder nicht?

Damit das Wasser, welches die Wärme transportiert, im Winter nicht einfriert, wird diesem Glyzerin bzw. Glykol zugesetzt. Das Gemisch wird meist als fertige Solarflüssigkeit angeboten - und zu Recht! Denn genau hier beginnen die großen Schwierigkeiten. Genaugenommen handelt es sich bei der Solarflüssigkeit um ein Wasser- Propylenglykol- Flüssigkeitsgemisch, das vor allem vor dem Einfrieren schützen muß.

Der Frostschutz funktioniert nur bis -25 oder -28 °C. Darunter kristallisiert das Gemisch aus und wird wie kristallisierter Honig. Dabei besteht aber meist keine Gefahr, daß Rohre platzen. Nur die Funktion der Anlage ist nicht mehr gegeben. Im Sommer erreicht die Temperatur leicht um die 200 °C, vor allem, wenn Ihr Pufferspeicher ganz aufgeladen ist und die Steuerung die Pumpe abschalten muß. Jetzt staut sich die Wärme im Kollektor und muß von diesem über die Luft wieder abgegeben werden. Doch der Kollektor ist ja möglichst gut isoliert! So kann die eingefangene Wärmeenergie nur wieder abgegeben werden, wenn Teile der Anlage so richtig heiß werden. Die Solaranlage befindet sich nun in der sogenannten Stagnation.
Bei diesen Temperaturen fangen eventuell chemische Komponenten des Frostschutzmittels an sich zu zersetzen. Es kann zu einer Verharzung kommen. Die Harzbestandteile setzen sich an den Rohrwänden des Kollektors ab. Für Vakuum-Röhrenkollektoren ist dies kein großes Problem, da das Kühlmittel nur im Sammler ist, der notfalls gereinigt werden kann. Doch bei Flachkollektoren ist dies ganz anders. Die Rohre im Kollektor können sich in 5 bis 10 Jahren fast völlig zusetzen! Tatsächlich reicht oft schon ein mehrfaches Überhitzen (5 - 10 Mal über 180 °C), damit das Frostschutzmittel thermisch umgewandelt wird (ausgecrackt). Deshalb müssen Solaranlagen vor Stagnation geschützt werden, also dem Stillstand bei vollem Puffer oder auch bei Stromausfall. Die bei uns angebotene Solarflüssigkeit Coracon 5F von Aqua Concept übersteht die Stagnation gut. Allerdings ist es wichtig, daß Sie das Fertiggemisch nie mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten mischen! Sonst sind die Eigenschaften nicht mehr zuverlässig gegeben!
Und eine Reinigung von Flachkollektoren? Ich habe noch kein brauchbares Verfahren gesehen. Hinzu kommt, daß die Zuleitungsrohre zum Pufferspeicher auch mehr oder weniger stark betroffen sein können...

Viele Heizungsbauer, die auch Solaranlagen einbauen, empfehlen keinen Entlüfter oben an der Solaranlage einzubauen. Beim Befüllen und Spülen muß sowieso eine starke Pumpe eingesetzt werden, um alle Luft aus der Anlage herauszubekommen. Es wird dabei der oben befindliche Entlüfter also nicht benutzt. Kommt eine Solaranlage aber in Stagnation und der oben am Kollektor montierte Entlüfter ist in Funktion (offen), so wird der sich bildende Wasserdampf aus dem Entlüfter entweichen. Auf diese Weise wird ihre Solarflüssigkeit eingedickt, "eingekocht" und immer weniger. Sollte Ihnen dies passiert sein, müssen Sie die Anlage nur mit Wasser wieder auf den Nenndruck bringen. Aber schließen Sie unbedingt den Entlüfter und lassen Sie ihn geschlossen! Allerdings sollten Sie dafür demineralisiertes Wasser verwenden, wie etwa aus einer Umkehrosmoseanlage. Doch die Frost- und Korrosionsschutzeigenschaften sind dann nicht mehr gewährleistet! Die Hersteller der Solarflüssigkeiten weisen darauf hin, daß Sie kein Wasser einfüllen sollten.

Ein alternatives Verfahren:

Drain-Back-Systeme (Entleerungssysteme) verwenden normales Heizungswasser ohne alle Zusätze. Wird es zu heiß oder zu kalt, sorgt die Steuerung dafür, daß alles Wasser aus dem Kollektor in einen entsprechenden Vorratstank zurückfließt. Erst wenn der Licht- und Temperaturfühler signalisiert, daß auf dem Dach Wärme zur Verfügung steht, füllt die Pumpe das System wieder mit Wasser und beginnt den Puffer aufzuheizen. Das System ist nur dann aktiv, wenn Wärmeenergie zur Verfügung steht.

Da es sich dabei um einen zur Luft hin offenen drucklosen Vorratstank handelt, können keine unbehandelten Stahltanks verwendet werden, wie sie in geschlossenen Heizungs- und Solaranlagen üblich sind. Diese würden durch den Sauerstoff der Luft in ein bis zwei Jahren durchrosten! Alternativen sind sehr teure Edelstahlspeicher oder aber preisgünstigere Kunststoff-Pufferspeicher. Die nötige Steuerung für komplexe Heizungsanlagen oder entleerende Solaranlagen kann der Solar- und Heizungsregler DeltaSol MX übernehmen. Wichtig ist es auch bei zur Luft offenen Systemen Pumpen mit Messinggehäuse zu verwenden.

Beheizte Solaranlagen:

Ja, richtig! Es gibt auch Solarkollektoren, die - hin und wieder - beheizt werden! In Gegenden mit viel Schnee haben Flachkollektoren den Vorteil, daß sie durch Beheizen sehr schnell den Schnee abrutschen lassen und so wieder gut arbeiten können. Vor allem in höheren Lagen ist dies von Vorteil, da ja oberhalb der Dunstschicht im Tal die Sonne im Frühjahr schon kräftig scheinen kann.

Eine weiterer Grund zum Beheizen der Kollektoren (Flach und Röhren!) kann in der Anlagenplanung begründet sein: der Kollektor wird nicht mit Frostschutzmittel betrieben sondern direkt mit Heizungswasser. Der Vorteil ist, daß Sie keine teure Solarflüssigkeit benötigen. Außerdem entfällt der Wärmetauscher im Speicher (oder ein separater Plattenwärmetauscher), wodurch die Anlage einen höheren Wirkungsgrad erzielt. (Jeder Wärmetauscher kann nur arbeiten, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Primär- und Sekundärseite besteht!) Außerdem hat reines Wasser eine sehr viel höhere Wärmekapazität als das Glykolgemisch. Auch die Viskosität (Fließfähigkeit) von Glykol ist deutlich geringer als von Wasser. Beide Faktoren bedingen somit eine größere Pumpenleistung bei gleicher Wärmeenergieausbeute.

Die meisten Regler für Solaranlagen, wie auch unser dafür von uns meistens empfohlene Heizungsregler KMS-D, haben eine eingebaute Frostschutzfunktion für den Kollektor. Fällt die Temperatur am Kollektor z.B. unter 5 °C, so wird die Solarpumpe für kurz eingeschaltet, bis das unten aus dem Speicher geförderte kälteste Wasser der Heizungsanlage den Fühler oben wieder auf ca. 10 °C gebracht hat. Da die Zuleitungen und der Kollektor selber gut isoliert sind, ist der Energieverlust nicht groß und wird im Laufe des Jahres leicht durch den Mehrertrag aufgewogen. Problematisch wird es für solch eine Solaranlage bei Stromausfall!

Zwei Arten von Solarkollektoren

Wer sich mit dem Gedanken trägt, sich eine Solaranlage anzuschaffen, muß zunächst die Frage klären, ob er Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren einsetzen soll. Beide Verfahren sind ausgereift und ab einer gewissen Größe auch vom BAFA gefördert.

Vergleich Röhrenkollektoren - Flachkollektoren:

*) Ertragsprognosen gemäß den Untersuchungen von Fachinstituten für unsere Solarkollektoren, gemäß der dort durchgeführten Messungen. Gerne senden wir Ihnen die Prüfberichte zu.

Wie man sieht, erzielt ein Vakuum-Röhrenkollektor HL-VRK-30 einen etwas höheren Jahresertrag als zwei Flachkollektoren FLK-200, wobei der Röhrenkollektor die Heizung obendrein besser unterstützt als der Flachkollektor. Da Röhrenkollektoren speziell in der Übergangszeit eher zur Heizung beisteuern können, sind diese unsere Empfehlung.

Funktionsweise des Vakuum-Röhrenkollektors

Unsere Röhrenkollektoren unterscheiden sich von Flachkollektoren in erster Linie durch den bis zu 30 % besseren Wirkungsgrad und ihr optisch ansprechendes Aussehen. Obendrein ist die Gefahr durch Überhitzung und Ausflocken des Frostschutzmittels zu verstopfen und so unbrauchbar zu werden deutlich geringer. Die Haltbarkeit bei Hagel ist erstaunlich gut. Eine Platte eines Flachkollektors kann durch einen einzigen Treffer unbrauchbar werden. Dagegen ist eine durch Hagel oder ähnliches beschädigte Röhre als Ertragsminderung kaum zu merken. Die trockene Anbindung ermöglicht jede Röhre einzeln auzutauschen.

Der Hauptbestandteil der Vakuum-Kollektoren sind die beiden ineinander verbauten Zylinder aus extrem hartem Borosilikatglas. Zwischen den beiden Glasröhren dient ein Vakuum als Wärmedämmung. Die aus drei chemischen Elementen bestehende, zwölffach beschichtete Absorberfläche ist auf die innere Röhre aufgedampft. Die im Absorber aufgenommene Sonnenenergie wird durch Strahlung und über ein Wärmeleitblech aus Aluminium auf die sich im Zentrum der Glasröhre befindende Heatpipe übertragen. Von dort geht die Energie durch den Kondensator und das Sammlerrohr in den Solarkreislauf über. Nach Messungen des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme kann für unsere Kollektoren ein jährlich zu erwartender Kollektorertrag von 730 kWh/m² herangezogen werden.

Das Heatpipe Prinzip

In unserem Vakuum-Röhrenkollektor fungieren das Vakuumrohr als Absorber und das Wärmeleitblech mit dem Wärmeleitrohr (Heatpipe) als Träger bzw. zur Weiterleitung der Wärmeenergie. Die hochselektive Innenbeschichtung der Vakuumröhre transformiert die Sonnenstrahlen in Wärmeenergie und überträgt die entstehende Hitze durch Abstrahlung und über das Wärmeleitblech an die Heatpipe. Die Leitflüssigkeit in der Heatpipe verdampft und steigt als Gas in den Kondensator am oberen Ende der Heatpipe.

Der heiße Kondensator wird anschließend durch den Wasserkreislauf im Sammlerrohr gekühlt. Das Gas im Kondensator wird wieder flüssig und fließt in der Heatpipe zurück. Die Übertragung der Wärmeenergie in die Solarflüssigkeit stellt einen kontinuierlichen Kreislauf dar, solange der Kollektor durch die Sonne erwärmt wird. Dieser Prozeß läuft wegen der für Gase geltenden physikalischen Gesetze augenblicklich ab! Deswegen ist die Temperatur in der Heatpipe immer auf der gesamten Länge gleich! Kaum heizt die Sonne also den langen Teil der Heatpipe in der Röhre auf, ist diese hohe Temperatur auch im Kondensator (Kopf) präsent und heizt die Solarflüssigkeit auf. So wird das kalte Wasser immer wieder zu heißem Wasser.

1   Sonnenstrahlen treffen auf die Vakuum-Röhrenkollektoren. Über die Absorberfläche und das Wärmeleitblech wird die Sonnenenergie auf die Heatpipe übertragen. 2 Die Leitflüssigkeit in der Heatpipe verdampft, steigt gasförmig in den Kondensator auf und erhitzt diesen. Der Solarkreislauf kühlt den Kondensator ab und läßt das heiße Gas kondensieren, es wird wieder flüssig. Die Leitflüssigkeit sinkt gekühlt ab. 3 Kaltes Wasser strömt in das Sammlerrohr des Kollektors ein und wird über die Kondensatoren der Heatpipe erhitzt.

Ursache für Störungen

• Luft:

Eine der häufigsten Ursachen von zu wenig Leistung bei der Solaranlage ist die Tatsache, dass trotz mehrmaligem Spülen mit der Spülpumpe immer noch Luft im System vorhanden ist. Dies ist häufig nicht unmittelbar nach dem Spülen feststellbar, sondern erst nach einiger Zeit. Restluft aus Rohrleitungen und Wärmetauscher im Speicher sammelt sich erst durch den laufenden Betrieb nach und nach oben im Kollektor an. Daher ist oft ein mehrmaliges, zeitversetztes und intensives Spülen, je nach Leitungslänge und Leitungsverlauf, erforderlich. Mit Leitungsverlauf ist gemeint, dass Luftsäcke zu vermeiden sind. Die Gefahr eines Luftsackes besteht dann, wenn eine Solarleitung nach oben und dann wieder nach unten verläuft. Problematisch sind auch Anschlussleitungen die von oben kommend auf den Kollektor geschlossen werden und dann wieder unten zum Speicher führen. Sollte so eine Leitungsführung nicht zu vermeiden sein, ist ein erheblich längeres Spülen des Solarsystems unbedingt erforderlich.

• Anlagendruck:

Wenn Luft in der Anlage definitiv als Ursache auszuschließen ist, kann eine weitere Ursache ein zu geringer Anlagendruck im heißen Zustand sein. Hierbei muss beachtet werden, dass man z. B. bei einer Kollektortemperatur von 120 °C einen Druck von mind. 1,98 bar oben auf dem Kollektor benötigt. Die Bezeichnung „oben am Kollektor“ heißt, wenn unten am Manometer der Solarstation 3 bar angezeigt werden, muss von diesen 3 bar die statische Höhe der Anlage abgezogen werden. Als statische Höhe bezeichnet man den Höhenunterschied zwischen Kollektor auf dem Dach und dem Manometer der Solarstation.

Der Schnellentlüfter

Ist oben an den Kollektoren ein Schnellentlüfter angebracht, kann es sein, dass beim Abkühlen der Solaranlage wieder Luft in die Anlage gezogen wird. Daher empfehlen wir, den Schnellentlüfter nur beim Spülen und in den ersten Betriebstagen geöffnet zu lassen und diesen danach mit einem Kugelhahn von der Solaranlage zu trennen.